공기액화분리장치

왜 배우는가: 이 개념은 산업용 산소와 질소를 공급하는 핵심 설비의 원리라서 제철·석유화학 공장의 가스 공급 구조를 이해하는 출발점이다. 또한 액체 산소와 질소는 설비 운전과 폭발 예방에 직접 쓰이므로 안전 관점에서도 중요하다. 설계 안전과 폭발 대책을 함께 묻는 개념이라 원리와 위험성을 같이 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제102회 2교시 5번, 제98회 3교시 2번, 제89회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기를 액화한 뒤 비점 차이로 산소·질소를 나누는 극저온 장치이다. 답안의 첫 줄은 이 정의로 시작하고, 이어서 극저온 정류라는 분리 원리를 한 문장으로 덧붙인다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 극저온 정류: 공기를 비점 이하로 냉각해 액체로 만든 뒤, 여러 단계의 기액 접촉으로 성분을 나누는 방식이다.
• 비점 차이: 산소와 질소의 비점이 달라, 같은 액체 혼합물에서 먼저 증발하는 성분이 달라지는 성질이다.
• 이중 정류탑: 고압탑과 저압탑을 결합한 탑 구성으로, 고압탑의 응축열을 저압탑의 증발에 활용한다.
• 분자체 흡착: 수분, 이산화탄소, 탄화수소를 분자체 표면에 붙잡아 제거하는 전처리 공정이다.
• 복열 열교환기: 들어오는 공기와 나가는 저온 제품 기체가 서로 열을 주고받게 하는 장치이다.
• 교축 팽창: 좁은 밸브를 통해 고압 기체를 팽창시켜 온도를 떨어뜨리는 냉각 과정이다.
• 재비기: 정류탑 하부의 액을 가열해 증기를 만들어 탑 안으로 되돌려 보내는 장치이다.

2. 개념 풀이

공기액화분리장치(ASU)는 대기 중의 공기를 압축, 정제, 냉각하여 액화한 뒤, 액체 공기를 정류탑에서 성분별 비점 차이에 따라 나누어 고순도의 산소, 질소, 아르곤을 얻는 설비이다. 영문으로는 Air Separation Unit이라 하며, 대기 중 공기는 질소가 약 78%, 산소가 약 21%를 차지하므로 이 두 성분이 주된 분리 대상이다.

기체를 액화하려면 그 기체의 비점 이하로 냉각해야 한다. 산소와 질소는 상온에서 기체로 존재하므로 공정 전체가 극저온 영역에서 운전된다. 공기는 압축한 뒤 교축 팽창시키면 온도가 내려가는 성질이 있어, 이 냉각 효과를 반복해 이용하여 공기를 액화 온도까지 끌어내린다. 이 냉각 원리를 줄-톰슨 효과라고 한다.

원리는 다음과 같다. 액체 공기는 질소와 산소가 섞인 용액으로 볼 수 있다. 산소의 비점은 -183℃이다. 질소의 비점은 -196℃이다. 질소의 비점이 산소보다 낮으므로 액체를 가열하면 질소가 먼저 증발하고, 액상에는 산소가 농축된다. 질소가 먼저 증발하고 산소는 액상에 농축된다. 한 번의 증발과 응축으로는 고순도 분리가 어려우므로, 정류탑에서는 위로 올라가는 증기와 아래로 내려가는 액체가 여러 단에서 반복 접촉한다. 이 과정이 쌓이면서 탑 상부에는 질소가, 하부에는 산소가 모인다.

탑 상부에서 응축한 액의 일부를 다시 탑으로 되돌리는 흐름을 환류라고 한다. 환류를 늘리면 분리 효율은 높아지지만 냉동 부하가 커지므로, 두 요소의 균형을 고려해 운전 조건을 정한다.

이중 정류탑에서는 고압탑 상부의 질소 증기가 저압탑 하부의 액체 산소와 열을 주고받아 산소를 증발시킨다. 이 응축과 증발의 열교환으로 저압탑의 재비 열을 외부 열원 없이 고압탑의 응축열로 충당한다. 핵심 용어는 다음과 같다.

• 환류는 탑 상부에서 응축한 액을 탑 내부로 되돌려 보내는 흐름이다.
• 재비기는 탑 하부의 액을 가열해 증기를 만드는 장치로, 이중 정류탑에서는 고압탑 응축열이 그 열원이다.
• 교축 팽창은 고압 기체가 좁은 통로를 지나며 팽창해 온도가 떨어지는 과정이다.

3. 등장 배경과 필요성

공기 분리 기술은 산업용 산소 수요가 커지면서 발전하였다. 린데가 1895년에 극저온 증류 공정을 개발하였다. 이 공정은 1902년에 처음 산업 공정에 적용되었다. 그 사이 약 7년 동안 공정은 학술 연구 수준에 머물렀다. 이 기술의 출발점은 극저온 증류이다.

극저온 증류는 고순도의 기체를 얻을 수 있지만 공기를 액화 온도까지 냉각해야 하므로 에너지 소비가 크다. 그래서 공정은 열교환기와 정류탑을 긴밀하게 결합해 열회수 효율을 높이고, 냉동에 필요한 에너지를 원료 공기의 압축으로 공급하는 구조를 취한다. 열회수 설계가 장치 효율을 좌우하므로, 열회수 설계에서 열교환기와 정류탑의 연계가 핵심이 된다.